CN109049674B - 一种针对微系统三维立体结构的增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对微系统三维立体结构的增材制造装置及方法，属于增材制造领域。高粘度微滴挤出喷头通过支撑架固定在导向立柱上，X轴移动装置固定在基座上，Y轴移动装置固定在X轴移动装置上，偏转电场电极通过Z轴移动装置安装在导向立柱上，介电层粘接在电极阵列上，电极阵列固定在Y轴移动装置上，极化模块固定在基座上、且位于介电层的上方。本发明利用分层制造技术，根据在脉冲电场条件下液态材料液滴固化成形的技术特点，采用脉冲电场分离技术实现增材制造的精确控量，通过调节电压参数实现微米级液滴的精确喷射，以实现高粘度液体高频喷射。
Description
技术领域
本发明属增材制造技术领域，特别涉及超薄功能层高精度控量控形的增材制造装置和方法。
背景技术
近年来，国内外微系统制造领域的研究工作进展迅速，在二维集成及微纳加工等方面取得了大量研究成果。在结构设计层面上，同时多个微系统的芯片级二维集成，一定程度上提高了功能密度，但微系统数目的增加会导致器件二维尺寸的急剧增大。通过空间优化组合二维集成芯片构成三维立体结构，既提高了空间利用率又数倍提高功能密度。在制造工艺层面上，微电子制造相对于超精密加工，在批量生产及与控制电路集成方面占有优势，但其核心技术即光刻只适用于二维芯片，无法实现微系统的三维立体制造，这一问题逐渐得到国内外科学工作者的关注。增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是基于分层制造原理发展而来的先进制造技术，其正向着多功能化多材料复杂结构零件的一体化快速制造发展。目前，以金属、陶瓷粉末或丝材为原材料的增材制造技术主要有激光选区烧结、激光熔覆、电子束成形等。而现有的成型方法零件的微观结构或相组成不可控，其控形控量问题是材料增材制造应用于微传感系统领域中的瓶颈，增材制造在超薄功能层成形的尺度减小和精确度提高方面仍有巨大的提升空间。
常规材料累加制造依靠逐点累加成形，不受加工模具的可制造性及复杂结构空间可达性的制约，在复杂单件或小批量制造的快速响应方面显示出工艺优势。在控量方面，专利申请公布号KR20140006121、EP2772347、CN103192079A、US8021593B2利用不同内径成形口以调控成形口截面面积实现控量，但这种控量方式需要施加过大的压力才能实现挤出，也无法挤出高粘度材料。华中科技大学研究了气动膜片式金属微液滴的分离技术理论和实验分析，初步完善了100μm级金属微液滴的喷射技术，然而100um还不够达到MEMS系统的精度要求。另外，公开号CN1635933A的专利公开了一种利用电场实现超细流体的喷射设备，但制造效率过低，无法实现大范围的高精度制造，难以满足复杂MEMS系统制造的需求。美国伊利诺伊大学香槟分校提出运用电液动力(electrohydrodynamic,EDH)，通过施加脉冲电场，控制高精度微流体的分离，然而这种方法所产生的液滴在飞行中与在工作平台上的铺展是完全无法控制的。
由此可见，传统的增材制造技术有以下缺点：
(1)亚微米级微流体分离的困难：当前普遍使用的挤压式或者分离式(压电法和热泡法)在超细流体的喷射方面问题的问题在于不易实现喷射小于1pl的微小量液体。
(2)液滴无法精确定位在工作平台上：对于微米级液滴，其精确定位对打印平台的位置控制精度要求很高，需采用压电直线平台，但其形成范围只有数十微米，造价高而且行程不适合微系统器件的一体化制造，而工程上常用的步进电机精度难以达到微米级，因此液滴的大范围、高精度定位是当前迫切需要解决的难题。
(3)液滴沉积在成形平台上的浸润性无法控制：常规的喷射和增材制造对最终沉积在平台上液滴的浸润性无法控制，只能靠飞行时的动能实现液滴的铺展，难以制造超薄薄膜。
发明内容
本发明提供一种针对微系统三维立体结构的增材制造装置及方法，目的是实现高粘度功能材料微米级液滴的高频挤出，实现微米级液滴在打印平台的大范围精确定位，实现微米级液滴在打印平台上的可控铺展，为在微系统的制造上摆脱国外仪器的约束提供技术手段。
本发明采取的技术方案是：高粘度微滴挤出喷头通过支撑架固定在导向立柱上，X轴移动装置固定在基座上，Y轴移动装置固定在X轴移动装置上，偏转电场电极通过Z轴移动装置安装在导向立柱上，介电层粘接在电极阵列上，电极阵列固定在Y轴移动装置上，极化模块固定在基座上、且位于介电层的上方。
所述高粘度微滴挤出喷头包括：喷头外壳端部、电液力分离电场电极正极、电液力分离电场电极负极、无极变域加热装置、喷头外壳、成型微口和压电膜片；压电膜片固定在喷头外壳端部，电液力分离电场电极正极固定在成型微口内侧，电液力分离电场电极负极固定在成型微口外壁，无极变域加热装置固定于喷头外壳内壁；
所述偏转电场电极包括：偏转电场X电极、偏转电场Y电极及绝缘连接层，偏转电场X电极与偏转电场Y电极均为横截面为扇形的柱状小块，成对固定在绝缘连接层的上、下侧，在绝缘连接层上侧，周向均布两块偏转电场X电极、两块偏转电场Y电极共四个柱形小块，该四块之间两两不相接触、且两个偏转电场X电极相对布置构成一对，两个偏转电场Y电极相对布置构成一对，对应的绝缘连接层下侧，布置有与上侧相同的电极小块；
所述电极阵列包括由介电润湿电极形成的阵列，其中介电润湿电极包括介电润湿电场负极、介电润湿电场正极、电栅绝缘填充物及电源，电源与介电润湿电场负极、介电润湿电场正极连接，介电润湿电场负极和介电润湿电场正极之间有电栅绝缘填充物绝缘。
一种针对微系统三维立体结构的增材制造方法，包括如下步骤：
(1)在具体加工实例中，用户可先通过三维建模软件建立所需打印的三维实体模型，或通过对实体样件三维扫描的方式利用反求工程得到三维数字模型；
(2)将待打印件的三维模型导入到计算机的切片软件中，通过切片分层来对三维实体进行拆解工作；
(3)根据实际需要配置所需的打印液体材料或拟通过熔融加热方式使用的线材等材料，并记录液态功能材料的性质，如粘度系数η、电导率k、表面张力常数γ、介电常数ε；
(4)通过事先的计算来确定一些增材制造装备的几何参数与控制参数，例如偏转电场电极板的大小Ux、Uy、喷嘴末端所加的脉冲电压U与喷头位置高度h、偏转电场电极的相对电极板间距n、偏转电场电极板的几何尺寸h2与位置尺寸h1的大小，进行调整与调换；
(5)将增材制造设备连接到计算机的控制端口，通过软件窗口进行编程控制，使得打印过程中增材制造设备能主动调节所需的电压U、Ux、Uy等电压参数；
(6)调整增材制造装置，使其归到初始位置，并开始打印，熔融的线材材料或液态的的增材制造材料在挤出喷头的端部，首先汇聚成半球形状，在电液力分离电场作用下，移动电荷在喷头端部的半球形状液滴表面聚集，电荷之间的斥力使喷头端部的液体材料逐渐拉伸变成锥形，最终静电力超过液滴表面张力，锥形的液体材料在锥形端部分离出球状液滴，实现了材料的滴落，为实现液滴在电场作用下的滴落，所设定的电压要大于可实现喷射的脉冲电压大小，如式(7)中给出，脉冲电压与液体表面张力常数γ、液态功能材料的电导率k、喷嘴内径d与真空介电常数ε0之间的关系式：
且由介电松弛关系可知，喷嘴末端所加的脉冲电压U，其脉冲频率不应高于电压脉冲喷射频率f，以免影响液滴的正常滴落，式(12)给出了电压脉冲喷射频率与液滴中偶极子的极化强度σ、液体材料的介电常数ε间的粗略关系：
对于待加工件的不同结构，喷嘴处电极部分将采取不同的电压大小，根据式(13)，液滴尺寸较大，流量较大，因而成形速度较快，而精度较低；液滴尺寸较小，流量较小，成形速度慢，而精度较高，影响液滴体积V的因素，主要包括：液体材料的介电常数ε、喷嘴内径d、喷嘴流路长度L、液滴中偶极子的极化强度σ、流动流体的粘度系数η、喷嘴末端所加的脉冲电压U、液态功能材料的电导率k、液体表面张力常数γ；
(7)依据待加工件每层形状与在成形平台上的偏移位置位置，X-Y平面移动平台先在待加工位置进行粗定位，利用激光位移传感器等精确测量装置可得到当前平台的精确位置，计算机根据目标位置和当前位置的偏差对偏转电场进行调整，液滴滴落后，经过偏转电场处实现精确偏转，以达到小范围精确定位的目的，在当前位置打印完成后，X-Y移动平台继续移动，重复之前步骤，从而实现大范围的精确定位，按照每层切片的图形，计算机自动规划该层打印图案打印过程中成型平台的移动路径，并通过配合偏转电场电极的偏转作用进一步精确控制液滴的滴落位置，按照液滴滴落的形式逐点打印该层图案，偏转电场电极对液滴精确定位的影响可由式(18)得出，其中喷嘴下端部的高度h、偏转电场电极的中心高度h1、偏转电场电极的极板在竖直方向上的尺寸为h2、偏转电场电极极板上施加偏转电压Ux、Uy及相对极板片距离n对偏移距离均有影响：
(8)对于每个滴落的液滴，当液滴沉积在成形平台后，计算机控制基于介电润湿的微滴铺展模块，使其在液滴处的一个或多个介电润湿电场电极对具有不同电压，从而控制微滴的铺展状态，得到厚度可控的液滴状态，进而控制该层的厚度，电压大小对浸润角的影响由公式(19)可知，在电场控制下液滴浸润角改变，进而改变液滴的形状，式中θV为通电后的浸润角，θ0为未通电时的静态浸润角，ε0为真空介电常数，εr为介电层相对介电常数，Uc为微电极极板间所施加的相对电压，dc为介电层厚度，γ为液滴-空气之间的表面张力常数：
(9)打印完该层图案之后，计算机控制喷嘴沿着Z轴向上方运动一个切片层的距离；
(10)通过重复步骤(7)至(9)的交替进行，实现逐层打印的增材制造过程；
(11)增材制造过程结束后，应停止软件的运行，关闭增材制造设备，取下打印件，断开增材制造设备与计算机的连接并处理好未打印液体或线材。
本发明在使用中可通过基座固定于充满低压惰性气体的容腔内，以实现对微结构的增材制造。
本发明的有益效果：
本发明利用分层制造技术，根据在脉冲电场条件下液态材料液滴固化成形的技术特点，采用脉冲电场分离技术实现增材制造的精确控量，通过调节电压参数实现微米级液滴的精确喷射，以实现高粘度液体高频喷射。
通过偏转电场与平面移动装置保证液滴的大范围高精度定位，使多个液滴在累积成膜的过程中能够保持稳定、可控的重叠率，进而间接实现对成型薄膜厚度以及二维成型精度的控制。
在液滴滴落在基板上后，由于其尺寸过小，无法在重力的作用下进行完全的铺展以实现厚度的减薄，因此采用介电润湿(EWOD)装置改变其固-液界面浸润角，进而进一步实现对厚度、打印分辨率的控制。
本发明能实现粘度高达1000cps的液体的挤出，挤出频率能达到5khz，制造的薄膜厚度能达到亚微米级别，为微系统元器件的增材制造提供了可能。本发明在使用中可通过基座固定于充满低压惰性气体的容腔内，以实现对微结构的增材制造。本发明对微型传感器的制造、微机电系统的一体化制造、微电子技术、精密加工技术和国防军工等领域的发展起到促进作用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明高粘度微滴挤出喷头的结构示意图；
图3是本发明偏转电场结构示意图；
图4是本发明电极阵列结构示意图；
图5是本发明介电润湿控形原理图。
具体实施方式
如图1所示，高粘度微滴挤出模块5通过支撑架4固定在导向立柱2上，X轴移动装置11固定在基座1上，Y轴移动装置10固定在X轴移动装置11上，偏转电场电极6通过Z轴移动装置3安装在导向立柱2上，介电层8粘接在电极阵列9上，电极阵列9固定在Y轴移动装置10上，极化模块7固定在基座1上、且位于介电层8的上方。
如图2所示，所述高粘度微滴挤出喷头包括：喷头外壳端部501、电液力分离电场电极正极502、电液力分离电场电极负极503、无极变域加热装置504、喷头外壳505、成型微口506和压电膜片507；压电膜片507固定在喷头外壳端部501，电液力分离电场电极正极502固定在成型微口506内侧，电液力分离电场电极负极503固定在成型微口506外壁，无极变域加热装置504固定于喷头外壳505内壁；无极变域加热装置504通过对待加工材料进行加热的方式可减小待加工材料的表面张力，压电膜片507的工作时所产生的压力与电液力分离电场电极正极502和电液力分离电场电极负极503间的电场力共同作用，促使液滴克服表面张力，从而实现微滴挤出。
如图3所示，偏转电场电极6包括：偏转电场X电极601、偏转电场Y电极602及绝缘连接层603，偏转电场X电极601与偏转电场Y电极602均为横截面为扇形的柱状小块，成对固定在绝缘连接层603的上、下侧，在绝缘连接层603上侧，周向均布两块偏转电场X电极601、两块偏转电场Y电极602共四个柱形小块，该四块之间两两不相接触、且两个偏转电场X电极601相对布置构成一对，两个偏转电场Y电极602相对布置构成一对，对应的绝缘连接层603下侧，布置有与上侧相同的电极小块；在实际加工过程中，液滴与喷嘴分离后，经过偏转电场精确偏转，可实现小范围精确定位。
如图4所示，电极阵列9包括由介电润湿电极形成的阵列，其中介电润湿电极包括介电润湿电场负极901、介电润湿电场正极902、电栅绝缘填充物903及电源904，电源904与介电润湿电场负极901、介电润湿电场正极902连接，介电润湿电场负极901和介电润湿电场正极902之间有电栅绝缘填充物903绝缘。
如图5所示，为介电润湿控型原理图，图中所示有介电层8、介电润湿电场负极901、介电润湿电场正极902、电栅绝缘填充物903及电源904，液滴沉积在成形平台后，控制装置控制成形平台上一个或多个电极对，在液滴所在的特定区域形成电场，电场电压的大小对液滴与成型平台的浸润角产生影响，在电场控制下液滴浸润角改变，进而改变液滴的形状。特别的，在成形超薄功能层过程中，所需结构厚度极小，则所使用的电极电压较大，从而获得厚度极小的单个液滴，从而控制了成形超薄功能层的最大厚度。
工作原理是：通过控制X轴移动装置11、Y轴移动装置10和Z轴移动装置3的运动；电液力分离电场电极正极502、电液力分离电场负极503、无极变域加热装置504、偏转电场电极6、极化模块7、电极阵列9及压电膜片12所连接电压大小的调节；控制装置对压电膜片507施加脉冲信号，压电膜片507通过压电转换获得工作时所需要的压力，进而作为辅助力来推动液态功能材料；控制装置通过脉冲信号对成型微口506内外的电液力分离电场电极正极502、电液力分离电场负极503进行激励，使得成型微口506处形成脉冲电场，成型微口506内的液态功能材料将随脉冲变化以液滴的形式依次从成型微口506末端脱离；具体过程是：当电压位于矢量电压VL时(VL是保持液滴不滴落的最大电压值)，成型微口506末端处的液态功能材料形成一个上宽下窄的锥角，并保持这一形状；当出现一个矢量电压VH的脉冲时(VH大于VL)，锥角尖端处的液态功能材料将在周期性电场力的作用下脱离，形成液滴，向下滴落；液滴下落过程中，经过偏转电场电极6，通过控制装置来调节该处的偏转电场，使得液滴获得在X、Y方向的下落速度，实现液滴滴落过程中位置的精确定位。若所打印材料为压电等功能材料，还可通过控制装置调节极化模块7的电压，产生极化电场，作用于已打印的材料处，对材料进行一定的极化处理，实现特定的功能，如压电特性等。
提供了电液分离部分优选参数，可参照相关参数对增材制造设备的几何参数与控制参数进行调节，以实现更好的微系统三维立体结构增材制造的效果。相关参数包括流体粘度η为1×10-3Pa·s，流体电导率k为5.5×10-6S/m，流体表面张力常数γ为67.91，喷嘴内径d为2μm，喷嘴内流路长度L为200μm，喷嘴末端所加的脉冲电压U为2000V，电压脉冲喷射频率f为8.47×107Hz。
一种针对微系统三维立体结构的增材制造方法，包括如下步骤：
(1)在具体加工实例中，用户可先通过三维建模软件建立所需打印的三维实体模型，或通过对实体样件三维扫描的方式利用反求工程得到三维数字模型；
(2)将待打印件的三维模型导入到计算机的切片软件中，通过切片分层来对三维实体进行拆解工作；
(3)根据实际需要配置所需的打印液体材料或拟通过熔融加热方式使用的线材等材料，并记录液态功能材料的性质，如粘度系数η、电导率k、表面张力常数γ、介电常数ε；
(4)通过事先的计算来确定一些增材制造装备的几何参数与控制参数，例如偏转电场电极板的大小Ux、Uy、喷嘴末端所加的脉冲电压U与喷头位置高度h、偏转电场电极的相对电极板间距n、偏转电场电极板的几何尺寸h2与位置尺寸h1的大小，进行调整与调换；
(5)将增材制造设备连接到计算机的控制端口，通过软件窗口进行编程控制，使得打印过程中增材制造设备能主动调节所需的电压U、Ux、Uy等电压参数；
(6)调整增材制造装置，使其归到初始位置，并开始打印，熔融的线材材料或液态的的增材制造材料在挤出喷头的端部，首先汇聚成半球形状，在电液力分离电场作用下，移动电荷在喷头端部的半球形状液滴表面聚集，电荷之间的斥力使喷头端部的液体材料逐渐拉伸变成锥形，最终静电力超过液滴表面张力，锥形的液体材料在锥形端部分离出球状液滴，实现了材料的滴落，为实现液滴在电场作用下的滴落，所设定的电压要大于可实现喷射的脉冲电压大小，如式(7)中给出，脉冲电压与液体表面张力常数γ、液态功能材料的电导率k、喷嘴内径d与真空介电常数ε0之间的关系式：
且由介电松弛关系可知，喷嘴末端所加的脉冲电压U，其脉冲频率不应高于电压脉冲喷射频率f，以免影响液滴的正常滴落，式(12)给出了电压脉冲喷射频率与液滴中偶极子的极化强度σ、液体材料的介电常数ε间的粗略关系：
对于待加工件的不同结构，喷嘴处电极部分将采取不同的电压大小，例如加工较厚的基底结构，制造精度要求不高，因此施加较高的电压；超薄功能层即压电材料层厚度极薄，制造精度要求高，因此施加较低的电压，根据式(13)，液滴尺寸较大，流量较大，因而成形速度较快，而精度较低；液滴尺寸较小，流量较小，成形速度慢，而精度较高，影响液滴体积V的因素，主要包括：液体材料的介电常数ε、喷嘴内径d、喷嘴流路长度L、液滴中偶极子的极化强度σ、流动流体的粘度系数η、喷嘴末端所加的脉冲电压U、液态功能材料的电导率k、液体表面张力常数γ；
(7)依据待加工件每层形状与在成形平台上的偏移位置位置，X-Y平面移动平台先在待加工位置进行粗定位，利用激光位移传感器等精确测量装置可得到当前平台的精确位置，计算机根据目标位置和当前位置的偏差对偏转电场进行调整，液滴滴落后，经过偏转电场处实现精确偏转，以达到小范围精确定位的目的，在当前位置打印完成后，X-Y移动平台继续移动，重复之前步骤，从而实现大范围的精确定位。按照每层切片的图形，计算机自动规划该层打印图案打印过程中成型平台的移动路径，并通过配合偏转电场电极的偏转作用进一步精确控制液滴的滴落位置，按照液滴滴落的形式逐点打印该层图案，偏转电场电极对液滴精确定位的影响可由式(18)得出，其中喷嘴下端部的高度h、偏转电场电极的中心高度h1、偏转电场电极的极板在竖直方向上的尺寸为h2、偏转电场电极极板上施加偏转电压Ux、Uy及相对极板片距离n对偏移距离均有影响：
(8)对于每个滴落的液滴，当液滴沉积在成形平台后，计算机控制基于介电润湿的微滴铺展模块，使其在液滴处的一个或多个介电润湿电场电极对具有不同电压，从而控制微滴的铺展状态，得到厚度可控的液滴状态，进而控制该层的厚度，电压大小对浸润角的影响由公式(19)可知，在电场控制下液滴浸润角改变，进而改变液滴的形状，例如，在成形超薄功能层过程中，所需结构厚度极小，所需设定的电极对之间电压则较大，从而获得厚度极小的单个液滴，以控制成形超薄功能层的最大厚度，式中θV为通电后的浸润角，θ0为未通电时的静态浸润角，ε0为真空介电常数，εr为介电层相对介电常数，Uc为微电极极板间所施加的相对电压，dc为介电层厚度，γ为液滴-空气之间的表面张力常数：
(9)打印完该层图案之后，计算机控制喷嘴沿着Z轴向上方运动一个切片层的距离；
(10)通过重复步骤(7)至(9)的交替进行，实现逐层打印的增材制造过程；
(11)增材制造过程结束后，应停止软件的运行，关闭增材制造设备，取下打印件，断开增材制造设备与计算机的连接并处理好未打印液体或线材。
本发明在使用中可通过基座固定于充满低压惰性气体的容腔内，以实现对微结构的增材制造。
本发明通过优化高粘度微滴挤出模块的喷头结构尺寸和电压参数，实现亚微米级液滴的分离，即实现了精确控量。可以通过设计增材制造设备的几何参数、调节控制装置所赋予各部分的电压状态来实现对微小液滴的控制。
相关理论推导如下：
液态功能材料材料进入内径d的成型微口的针状喷嘴(内径特指末端孔口直径)，使流体下端处于无限大成形平台之上高度为h的位置，L为喷嘴流路长度，ρ为液滴末端边界处曲率半径，并考虑当液滴未滴出时ρ为d的一半大小，电场作用下，在喷嘴末端引起电荷，电荷聚焦在喷嘴末端半球部分上，喷嘴末端的液滴上电荷量Q可近似用下式表示：
Q＝2πε0αUd (1)
其中ε0代表真空介电常数，α代表与喷嘴几何尺寸相关的一个系数，它的值为1到1.5之间，当喷嘴内径d远小于喷嘴的长度l时，α近似为1，U代表喷嘴末端所加的脉冲电压；
液态功能材料在喷嘴末端的电场强度值El为，
其中k为液态功能材料的电导率；
由于作用于喷嘴末端液态功能材料的压力平衡，在电场作用下液态功能材料材料在喷嘴末端静电压强Pe(Pa)可由下式(3)表示，
其中S代表喷嘴末端的喷嘴内孔面积；
当α＝1时，从方程式(1)，(2)和(3)得到式(4),
当未施加电场条件下，通过喷嘴末端的液体表面张力等效为压强Ps，得到式(5)，
其中γ为液态功能材料的表面张力常数，电流体喷射的条件是，静电力大于表面张力，故成立条件如下式(6)，
Pe>Ps (6)
综上可知，当给定一定内径的成型微口，通过计算和比较表面张力获得的压强与静电压力产生的压强之关系式(6)，当成型微口的内径d足够小时、施加到喷嘴末端的脉冲电压U足够大，静电力比表面张力大。
可实现喷射的喷头处脉冲电压由式(7)给出：
即本发明中分离液滴的电压满足由式(7)所确定的条件；
喷射压力ΔP(Pa)满足下式(8)，
在局部电场作用下，可以通过采用小内径的喷嘴的方式，降低可实现喷射所需的的喷头处脉冲电压大小；
喷嘴毛细管道流量q由泊肃叶方程(Poiseuille's Law)方程式推导出，假设成型微口内液态功能材料为圆柱形，流动液态功能材料的流量q为：
其中，η为流动液态功能材料的粘度系数，根据以上方程流量q正比于成型微口内径d的四次方，可通过减小成型微口内径来实现减小流量，由式(8)获得的喷射压强ΔP带入式(9)得式(10)
为了获得分离的液滴，需要控制脉冲电压的持续时间，电场作用下，液滴中偶极子随电场迁移，使液滴表现出带电，认为液滴完全充电的时间大致等于通过由介电松弛确定的时间常数τ：
其中，σ为液滴中偶极子的极化强度，ε为液体材料的介电常数，f表示时间常数τ的倒数，即电压脉冲喷射频率，
综上，电压脉冲喷射频率超过f时，液滴的产生无法响应，液滴无法脱落；
由式(11)和式(12)，可估计出液滴的体积V为流量q和时间常数τ的积分，
假设滴落的液滴为球形，则滴落的液滴直径dV为：
根据式(14)，液滴的尺寸由喷嘴内径d，喷嘴内流路长度L，电压U，以及液态功能材料性质如介电常数ε、表面张力常数γ、电导率k、极化强度σ、粘度系数η等决定。
广域高精度液滴定位的实现原理为：由X轴移动装置11和Y轴移动装置10组成的平面移动装置、Z轴移动装置3、偏转电场电极6构成广域精确定位模块；X轴移动装置11固定在基座1上，Y轴移动装置10固定在X轴移动装置11上，Z轴移动装置3与导向立柱2组成移动副，偏转电场电极6固定在Z轴移动装置3末端。所述偏转电场电极的极板为环形，共由4片组成，每两个相对的极板片共同作用时可控制一个轴向的液滴偏转。控制装置可通过驱动步进电机来调节X轴移动装置与Y轴移动装置，实现平面内范围的定位，定位完成后，利用工作平台上的偏转电场控制液滴在X、Y方向的偏转，进一步实现对液滴滴落位置的精确定位。
喷嘴下端部处于无限大成形平台之上高度为h的位置，偏转电场电极的中心处于无限大成形平台之上高度为h1的位置，偏转电场电极的极板在竖直方向上的尺寸为h2，假设某次控制中仅在控制X方向的偏转电场电极极板上施加偏转电压Ux，相对极板片距离均为n，小液滴质量为m，液滴在下落过程中，竖直方向始终只受到万有引力g的作用，以恒定加速度加速，落至成型平台上，竖直方向速度为vz，
在水平方向上，初始下落阶段，液滴未受力，在经过偏转电场电极板处受电场力作用而产生水平方向速度，进而最终落到成型平台上时水平速度可以表示为v’
Δt为液滴经过偏转电场电极板区域的时间，
综合式(16)与(17)，可以得到液滴落在成型平台上时，X方向偏移的位移为x1
可以看到，调节偏转电场电极的相对电极板间距n、偏转电场电极板的几何尺寸h2与位置尺寸h1的大小、施加的偏转电压Ux与Uy，可以有效控制液滴在成形平台上的偏移位置，以精确控制液滴的滴落。
电极阵列9、介电层8构成基于介电润湿的微滴铺展模块；所述电极阵列9为电极的矩形阵列，电极阵列9固定在Y轴移动装置10顶部，介电层8粘接在电极阵列9表面，控制装置通过调节电极阵列的电压，在材料表面形成介电润湿电场，改变液滴的浸润角，从而改变液滴的表面张力，控制材料的亲疏水特性，如图5所示，介电润湿电场控形的具体原理是：
a)在成形平台上构建多微电极构成的阵列底板，电极阵列上覆盖有介电层以防止液滴电解；
b)每对微电极由正负两极组成，分别接在配置直流电源的正负两级；直流电源的通断和大小由控制装置调节，实现在成形平板特定的区域(一个或几个液滴下方)形成局部电场，液滴的浸润角可通过Young-Lippman公式确定；
其中，θV为通电后的浸润角，θ0为未通电时的静态浸润角，ε0为真空介电常数，εr为介电层相对介电常数，Uc为微电极极板间所施加的相对电压，dc为介电层厚度，γ为液体表面张力常数；
c)所设置直流电源Uc大小可由所需液滴厚度决定。
Claims (3)
1.一种基于针对微系统三维立体结构的增材制造装置的增材制造方法，其特征在于：所述针对微系统三维立体结构的增材制造装置的结构是，高粘度微滴挤出喷头通过支撑架固定在导向立柱上，X轴移动装置固定在基座上，Y轴移动装置固定在X轴移动装置上，偏转电场电极通过Z轴移动装置安装在导向立柱上，介电层粘接在电极阵列上，电极阵列固定在Y轴移动装置上，极化模块固定在基座上、且位于介电层的上方；
所述偏转电场电极包括：偏转电场X电极、偏转电场Y电极及绝缘连接层，偏转电场X电极与偏转电场Y电极均为横截面为扇形的柱状小块，成对固定在绝缘连接层的上、下侧，在绝缘连接层上侧，周向均布两块偏转电场X电极、两块偏转电场Y电极共四个柱形小块，该四块之间两两不相接触、且两个偏转电场X电极相对布置构成一对，两个偏转电场Y电极相对布置构成一对，对应的绝缘连接层下侧，布置有与上侧相同的电极小块；
包括如下步骤：
(1)在具体加工实例中，用户可先通过三维建模软件建立所需打印的三维实体模型，或通过对实体样件三维扫描的方式利用反求工程得到三维数字模型；
(2)将待打印件的三维模型导入到计算机的切片软件中，通过切片分层来对三维实体进行拆解工作；
(3)根据实际需要配置所需的打印液体材料或拟通过熔融加热方式使用的线材材料，并记录液态功能材料的性质，粘度系数η、电导率k、表面张力常数γ、介电常数ε；
(4)通过事先的计算来确定增材制造装备的几何参数与控制参数，偏转电场X电极和偏转电场Y电极上分别施加的偏转电压Ux和偏转电压Uy、喷嘴末端所加的脉冲电压U、喷嘴下端部处于无限大成形平台之上的高度为h、一对偏转电场X电极之间的距离或一对偏转电场Y电极之间的距离n、偏转电场X电极或偏转电场Y电极在竖直方向上的几何尺寸为h2，偏转电场电极的中心处于无限大成形平台之上的高度为h1，进行调整与调换；
(5)将增材制造设备连接到计算机的控制端口，通过软件窗口进行编程控制，使得打印过程中增材制造设备能主动调节所需的电压参数：脉冲电压U、偏转电场X电极和偏转电场Y电极上分别施加的偏转电压Ux和偏转电压Uy；
(6)调整增材制造装置，使其归到初始位置，并开始打印，熔融的线材材料或液态的的增材制造材料在挤出喷头的端部，首先汇聚成半球形状，在电液力分离电场作用下，移动电荷在喷头端部的半球形状液滴表面聚集，电荷之间的斥力使喷头端部的液体材料逐渐拉伸变成锥形，最终静电力超过液滴表面张力，锥形的液体材料在锥形端部分离出球状液滴，实现了材料的滴落，为实现液滴在电场作用下的滴落，所设定的电压要大于可实现喷射的脉冲电压大小，如式(7)中给出，脉冲电压与液体表面张力常数γ、液态功能材料的电导率k、喷嘴内径d与真空介电常数ε0之间的关系式：
且由介电松弛关系可知，喷嘴末端所加的脉冲电压U，其脉冲频率不应高于电压脉冲喷射频率f，以免影响液滴的正常滴落，式(12)给出了电压脉冲喷射频率与液滴中偶极子的极化强度σ、液体材料的介电常数ε间的粗略关系：
对于待加工件的不同结构，喷嘴处电极部分将采取不同的电压大小，根据式(13)，液滴尺寸较大，流量较大，因而成形速度较快，而精度较低；液滴尺寸较小，流量较小，成形速度慢，而精度较高，影响液滴体积V的因素，主要包括：液体材料的介电常数ε、喷嘴内径d、喷嘴流路长度L、液滴中偶极子的极化强度σ、流动流体的粘度系数η、喷嘴末端所加的脉冲电压U、液态功能材料的电导率k、液体表面张力常数γ、流动液态功能材料的流量q；由介电松弛确定的时间常数τ；
(7)依据待加工件每层形状与在成形平台上的偏移位置位置，X-Y平面移动平台先在待加工位置进行粗定位，利用激光位移传感器精确测量装置可得到当前平台的精确位置，计算机根据目标位置和当前位置的偏差对偏转电场进行调整，液滴滴落后，经过偏转电场处实现精确偏转，以达到小范围精确定位的目的，在当前位置打印完成后，X-Y移动平台继续移动，重复之前步骤，从而实现大范围的精确定位，按照每层切片的图形，计算机自动规划该层打印图案打印过程中成型平台的移动路径，并通过配合偏转电场电极的偏转作用进一步精确控制液滴的滴落位置，按照液滴滴落的形式逐点打印该层图案，偏转电场电极对液滴精确定位的影响可由式(18)得出，其中喷嘴下端部到成形平台之间的高度h、偏转电场电极的中心处于无限大成形平台之上的高度为h1、偏转电场X电极或偏转电场Y电极在竖直方向上的几何尺寸h2、偏转电场X电极和偏转电场Y电极上分别施加偏转电压Ux和偏转电压Uy及一对偏转电场X电极之间的距离或一对偏转电场Y电极之间的距离n对偏移距离均有影响：
其中，x1为X方向偏移的位移，Q为喷嘴末端的液滴上电荷量，Δt为液滴经过偏转电场X电极或偏转电场Y电极区域的时间；m为滴落的液滴质量；
(8)对于每个滴落的液滴，当液滴沉积在成形平台后，计算机控制基于介电润湿的微滴铺展模块，使其在液滴处的一个或多个介电润湿电场电极对具有不同电压，从而控制微滴的铺展状态，得到厚度可控的液滴状态，进而控制该层的厚度，电压大小对浸润角的影响由公式(19)可知，在电场控制下液滴浸润角改变，进而改变液滴的形状，式中θV为通电后的浸润角，θ0为未通电时的静态浸润角，ε0为真空介电常数，εr为介电层相对介电常数，Uc为微电极极板间所施加的相对电压，dc为介电层厚度，γ为液滴-空气之间的表面张力常数：
(9)打印完该层图案之后，计算机控制喷嘴沿着Z轴向上方运动一个切片层的距离；
(10)通过重复步骤(7)至(9)的交替进行，实现逐层打印的增材制造过程；
(11)增材制造过程结束后，应停止软件的运行，关闭增材制造装置，取下打印件，断开增材制造设备与计算机的连接并处理好未打印液体或线材。
2.根据权利要求1所述的基于针对微系统三维立体结构的增材制造装置的增材制造方法，其特征在于：所述高粘度微滴挤出喷头包括：喷头外壳端部、电液力分离电场电极正极、电液力分离电场电极负极、无极变域加热装置、喷头外壳、成型微口和压电膜片；压电膜片固定在喷头外壳端部，电液力分离电场电极正极固定在成型微口内侧，电液力分离电场电极负极固定在成型微口外壁，无极变域加热装置固定于喷头外壳内壁。
3.根据权利要求1所述的基于针对微系统三维立体结构的增材制造装置的增材制造方法，其特征在于：所述电极阵列包括由介电润湿电极形成的阵列，其中介电润湿电极包括介电润湿电场负极、介电润湿电场正极、电栅绝缘填充物及电源，电源与介电润湿电场负极、介电润湿电场正极连接，介电润湿电场负极和介电润湿电场正极之间有电栅绝缘填充物绝缘。
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2018
- 2018-10-18 CN CN201811219025.5A patent/CN109049674B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107962770A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-04-27 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种基于库尔特原理的生物3d打印系统 |
| CN208914602U (zh) * | 2018-10-18 | 2019-05-31 | 吉林大学 | 一种针对微系统三维立体结构的增材制造装置 |
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| CN109049674A (zh) | 2018-12-21 |
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